SISTEMAS DE ENERGÍA EÓLICA Y SOLAR PARA LA ALIMENTACIÓN DE LUMINARIAS.
ALAN SCHNAIDER GUTIERREZ PERDOMO 702156
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES BOGOTÁ D.C. 2020
SISTEMAS DE ENERGÍA EÓLICA Y SOLAR PARA LA ALIMENTACIÓN DE LUMINARIAS.
ALAN SCHNAIDER GUTIERREZ PERDOMO
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico y de Telecomunicaciones
Director: JOSÉ LEÓN LEÓN MSc Ingeniería Electrónica
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES BOGOTÁ 2020
4 Nota de aceptación: ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ Firma del presidente del jurado
____________________________________ Firma del jurado
____________________________________ Firma del jurado
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco en primer lugar a Dios por darme la oportunidad de haber realizado una carrera profesional, con su ayuda y su guía fue posible este gran logro.
Igualmente agradezco a mis hijas, padres, hermanas, familiares y amigos por sus palabras de aliento, sus buenos consejos y todo el apoyo incondicional con el que conté a lo largo de este proceso, gracias por ese cariño que me brindaron y por todas sus buenas acciones, sin las cuales no hubiese podido conseguir este gran propósito, no tengo más que ofrecerle toda mi gratitud y que Dios me los bendiga.
Y un agradecimiento especial para el ingeniero José León León quien dirigió este trabajo de grado y me brindó toda su experiencia y apoyo para poder sacar adelante este objetivo.
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TABLA DE CONTENIDO
Contenido
1. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 15
2. OBJETIVOS ... 17 2.1 GENERAL ... 17 2.2 ESPECÍFICOS ... 17 3. JUSTIFICACIÓN... 18 4. ANTECEDENTES ... 21 5. MARCO DE REFERENCIA ... 28 MARCO TEÓRICO ... 28
5.1.1 Energías limpias y renovables ... 32
5.2 MARCO CONCEPTUAL ... 35
6. METODOLOGÍA ... 37
6.1 RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN. ... 37
6.2 DISEÑO. ... 38
6.3 IMPLEMENTACIÓN. ... 38
6.4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ... 39
7. LIMITACIONES ... 40 8. RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN ... 41 8.1 AEROGENERADORES EÓLICOS ... 41 8.1.1 Tipos de aerogeneradores ... 42 8.1.2 De eje horizontal. ... 42 8.1.3 De eje vertical ... 43
8.1.4 Tipos de generadores eléctricos ... 45
8.1.5 Transmisión de un sistema eólico. ... 46
8.2 TIPOS DE PANELES FOTOVOLTAICOS. ... 47
7 8.2.1.1 Monocristalino. ... 48 8.2.1.2 Policristalino. ... 48 8.3 REGULADOR DE VOLTAJE. ... 50 8.4 BATERÍAS ... 51 8.5 LUMINARIAS ... 52
9. CARACTERISTICAS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLAR Y EÓLICO. ... 53
9.1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA ILUMINACIÓN LED. ... 53
9.1.1 Panel solar ... 57
9.1.2 Batería... 59
9.1.3 Regulador ... 59
9.1.4 Carga ... 59
9.1.5 Diseño ... 59
9.2 SISTEMA EÓLICO PARA ILUMINACIÓN LED: ... 60
9.2.1 Aerogenerador ... 60
9.2.2 Transmisión ... 62
9.2.3 Alternador ... 63
9.2.4 Aerogenerador Savonius ... 64
9.2.5 Diseño. ... 66
10. IMPLEMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS. ... 67
10.1 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO. ... 67
10.2 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA EÓLICO... 69
10.2.1 A tener en cuenta: ... 71
11. DATOS RECOLECTADOS. ... 73
11.1 RESULTADOS DE SISTEMA FOTOVOLTAICO ... 73
11.2 RESULTADOS OBTENIDOS DEL SISTEMA EÓLICO. ... 75
12. DETERMINAR CUÁL DE LAS ENERGÍAS ES MÁS EFICIENTE. ... 79
ANÁLISIS ... 79
12.1.1 Diseño ... 79
12.1.2 Características frente al clima. ... 81
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12.1.4 Implementación ... 83
13. CONCLUSIONES ... 85
14. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS... 87
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TABLA DE ILUSTRACIONES
ILUSTRACIÓN 1. FUENTES DE ENERGÍA EN COLOMBIA. 25
ILUSTRACIÓN 2 PANEL SOLAR TRANSPARENTE. 26
ILUSTRACIÓN 3. GENERADOR EÓLICO DE ENERGÍA ALTERNA CON ETAPA DE RECTIFICACIÓN. 27 ILUSTRACIÓN 4 PARTES DE COLECTOR SOLAR Y CÉLULA FOTOVOLTAICA 30
ILUSTRACIÓN 5 PARTES DE UN MOTOR-GENERADOR DC 31
ILUSTRACIÓN 6 PARTES DE UN GENERADOR EÓLICO 31
ILUSTRACIÓN 7 REFERENTE A ENERGÍAS LIMPIAS Y RENOVABLES 32 ILUSTRACIÓN 8 POSIBLE DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA ESTE PROYECTO. 33 ILUSTRACIÓN 9 POSIBLE DISEÑO DEL SISTEMA EÓLICO PARA ESTE PROYECTO. 34
ILUSTRACIÓN 10 METODOLOGÍA 37
ILUSTRACIÓN 11 AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL. 43
ILUSTRACIÓN 12 AEROGENERADOR EÓLICO SAVONIUS. 43
ILUSTRACIÓN 13 AEROGENERADOR EÓLICO DARRIEUS. 44
ILUSTRACIÓN 14 PANEL SOLAR TIPO MONOCRISTALINO. 48
ILUSTRACIÓN 15 PANEL SOLAR TIPO POLICRISTALINO. 49
ILUSTRACIÓN 16 PANEL SOLAR TIPO AMORFOS. 50
ILUSTRACIÓN 17. REGULADOR DE VOLTAJE SOLAR 51
ILUSTRACIÓN 18. LUMINARIA LED E INCANDESCENTE 52
ILUSTRACIÓN 19 IMAGEN SATELITAL GOOGLE MAP DEL SITIO DE ESTUDIO. 54 ILUSTRACIÓN 20. VISTA SATELITAL DEL ATLAS SOLAR GLOBAL DEL SITIO DE ESTUDIO. 55
ILUSTRACIÓN 21. HORAS SOLARES PRODUCTIVAS: 56
ILUSTRACIÓN 22. IRRADIACIÓN NORMAL DIRECTA POR MESES: 56 ILUSTRACIÓN 23. RADIACIÓN SOLAR HORA MES DE SEPTIEMBRE. 57
ILUSTRACIÓN 24. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 60
ILUSTRACIÓN 25 DISEÑO DEL AEROGENERADOR. 63
ILUSTRACIÓN 26. SISTEMA EÓLICO. 66
ILUSTRACIÓN 27. CONEXIONES DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA TOMA DE PRIMERA MUESTRA. 67 ILUSTRACIÓN 28. CONEXIONES SISTEMAS FOTOVOLTAICO PARA TOMA DE SEGUNDA MUESTRA. 68
ILUSTRACIÓN 29. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 68
ILUSTRACIÓN 30 SISTEMA EÓLICO. 69
ILUSTRACIÓN 31. CONEXIONES SISTEMA EÓLICO PARA PRIMERA MUESTRA. 70 ILUSTRACIÓN 32. CONEXIONES SISTEMA EÓLICO PARA SEGUNDA TOMA DE MUESTRAS. 70 ILUSTRACIÓN 33 CONEXIÓN DEL SISTEMA EÓLICO PARA TOMA DE MUESTRAS 71
ILUSTRACIÓN 34 TIEMPO EFECTIVO DEL PANEL. 75
ILUSTRACIÓN 35 RESULTADOS OBTENIDOS CON EL AEROGENERADOR 78 ILUSTRACIÓN 36 COMPARACIÓN DE RESULTADOS CON LOS DOS SISTEMAS EN LA SEGUNDA PRUEBA. 81 ILUSTRACIÓN 37. CARACTERÍSTICAS DEL CLIMA PARA AMBOS SISTEMAS. 82
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TABLA DE CUADROS
TABLA 1 ÉPOCAS DEL AÑO CON MAYOR Y MENOR RADIACIÓN SOLAR. 24
TABLA 2 TIPOS DE BATERÍAS. 51
TABLA 3 MATERIALES PARA EL SISTEMA FOTOVOLTAICO. 60
TABLA 4 DE MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL AEROGENERADOR 63
TABLA 5 VELOCIDAD PROMEDIO DEL VIENTO POR MES. 65
TABLA 6 VATIOS OBTENIBLES SEGÚN LA VELOCIDAD DEL VIENTO EN CADA MES. 66
TABLA 7 DATOS RECOLECTADOS EN CAMPO PRIMERA TOMA. 73
TABLA 8 RESULTADOS OBTENIDOS CON EL PANEL SOLAR Y LA CARGA, SEGUNDA MUESTRA. 74 TABLA 9 VELOCIDAD DEL VIENTO DEL 21 AL 28 DE SEPTIEMBRE DEL 2020 EN METROS SOBRE SEGUNDO. 76
TABLA 10 RESULTADOS OBTENIDOS CON ÉL AEROGENERADOR. 77
TABLA 11 CUADRO COMPARATIVO PRIMER TOMA DE MUESTRAS 79
TABLA 12 CUADRO COMPARATIVO SEGUNDA TOMA DE MUESTRAS 80
TABLA 13 COMPARACIÓN DE COSTOS ENTRE LOS DOS SISTEMAS. 83 TABLA 14 COMPARACIÓN PARA IMPLEMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS 84
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GLOSARIO
EFECTO: Aquello que sigue por virtud de una causa.
EFICIENCIA: Según el Diccionario de la Real Academia Española, eficiencia es la capacidad de disponer de alguien o algo para conseguir el cumplimiento adecuado de una función.
ENERGÍA: Capacidad que tiene la materia de producir trabajo en forma de movimiento, luz, calor, etc.
GAS: hace referencia a un líquido que, al ser expuesto en el aire, su densidad es más baja y por eso tiende a subir hacia la atmósfera.
INVERNADERO: Recinto en el que se mantienen las condiciones ambientales adecuadas para favorecer el cultivo de plantas.
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RESUMEN
En el siguiente trabajo de grado encontrará el estudio acerca de cuál, de los sistemas de energías fotovoltaicas y eólicas, es más eficiente para la alimentación de dispositivos de baja potencia, en este caso luminarias de 7 vatios tipo led. Se realizan pruebas en dos sitios distintos pertenecientes a la localidad de Usme al sur de Bogotá, el primer sitio una zona residencial y el segundo un campo abierto o zona verde.
Con base en las pruebas realizadas se pudo conseguir que las condiciones del clima en el sitio de estudio, son favorables para la implementación de sistemas fotovoltaicos, estas condiciones no fueron adecuadas para el óptimo funcionamiento del sistema eólico, diseñado en este mismo trabajo de grado, puesto que requiere de vientos muy fuertes y las condiciones del clima no brinda estas posibilidades.
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INTRODUCCIÓN
En un artículo de la OMM (organización meteorológica mundial) publicado el 10 de marzo del 2020, organismos destacan en un informe las crecientes señales y consecuencias del cambio climático en la atmósfera, la tierra y los océanos, relata el gran daño e impacto ambiental que existe en estos momentos a nivel mundial, por la concentración de gases de efecto invernadero, los cuales son producidos por la generación de energía a partir de materiales fósiles, la industria, la agricultura, entre otras. Este daño ambiental tendría a futuro consecuencias en la salud, la economía, la vida social e individual, la vida en los mares y en la tierra, los cultivos y otros efectos directos e indirectos que cambiarían el ritmo de vida habitual de manera negativa.
Esta situación es muy difícil de controlar en estos momentos por condiciones políticas, sociales y económicas de los diversos países, que no tienen en muchas ocasiones los recursos, ni las formas de afrontar una emergencia de tal magnitud, el caso es que este problema cambiaría de forma abrupta el ritmo de vida de cada individuo que vive en la faz de la tierra, no solamente seres humanos si no cualquier especie que habita el planeta.
Años atrás un grupo de científicos descubrió que los gases de efecto invernadero eran los principales causantes del calentamiento global y por ende son el principal problema. En una reunión intergubernamental realizada en Kioto Japón, se pudo concluir que la forma más efectiva para darle frente a este gran problema es la producción de energía por medios no contaminantes, que no produzcan gases de efecto invernadero y que no tengan afectaciones en el medio ambiente.
Con base en este problema, surge la necesidad de empezar a desarrollar energías limpias que puedan satisfacer las necesidades energéticas que demanda la sociedad, sin que se produzca un impacto negativo en el medio ambiente.
Es por esto que se hace necesario empezar a implementar urgentemente formas de adquirir energías limpias, que su producción no afecte de ninguna manera el medio ambiente y por supuesto que no genere gases de efecto invernadero, de esta manera ir contrarrestando los efectos del calentamiento global. Unas de estas energías limpias son:
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la energía solar, eólica, hidroeléctrica, biomasa, biogás, térmica, entre otras y se espera a partir de ellas cubrir las necesidades energéticas.
En este orden de ideas, el siguiente trabajo de grado, trata sobre la eficiencia energética que se puede adquirir a partir de las energías limpias y renovables, en este caso se realizará un estudio de energías entre la adquirida a partir del sol por medio de paneles solares y la obtenida a partir del viento por medio de generadores eólicos, en este caso se realiza una comparación entre estas dos energías para verificar cual es más eficiente, teniendo en cuenta las características del clima donde se van a realizar las pruebas y probando con cargas de poco consumo en este caso una luminaria led.
El montaje de los sistemas de energías limpias y renovables se hará en la ciudad de Bogotá, en la localidad de Usme al sur de la ciudad, donde se tendrán en cuenta factores del clima como velocidad del viento y radiación solar, primero se medirá cuáles son los valores máximos y mínimos obtenidos en cada sistema a partir de las condiciones climáticas y la posición geográfica, así de esta manera identificar qué sistema es más competente para la alimentación de la luminaria. 1
1 ORGANIZACIÓN METEOROLÓGICA MUNDIAL. Diversos organismos destacan en un informe las crecientes señales y
consecuencias del cambio climático en la atmósfera, la tierra y los océanos. [sitio web] [18 de marzo del 2020]. Disponible en: https://n9.cl/bxab
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1. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Con el pasar de los años y gracias a la actividad humana, hoy en día existe un problema a nivel global que está afectando a todos los seres vivos del planeta, este problema es el calentamiento global y su principal causa está dada por la generación de energía a partir de medios fósiles, materiales que al ser quemados producen gases de efecto invernadero, estos gases se acumulan en la atmósfera terrestre y hacen que los niveles de la temperatura del planeta aumente con el pasar del tiempo.
A pesar de que el problema está identificado no es fácil darle solución, ya que se tendría que detener la actividad humana en un porcentaje bastante alto, lo cual es muy poco probable de realizar. Sin embargo, día a día el problema continúa sin tener una solución definitiva que contribuya a hacerle frente al daño ambiental. En los últimos años se ha destacado una idea para empezar a mitigar el impacto negativo, que tiene la producción de energía eléctrica a partir de medios fósiles, principal causa de la afectación al medio ambiente y es la producción de energía a partir de medios no contaminantes2.
En este orden de ideas por la inadecuada generación de energía eléctrica y la falta del servicio eléctrico en algunas zonas, nace la alternativa de manejar energías limpias y renovables, que permitan suplir esta necesidad sin que existan consecuencias que afecten el medio ambiente. Una de las alternativas para la generación de energías limpias y renovables es la energía solar, que se obtiene por medio de paneles solares que transforman los rayos del sol en energía eléctrica y son muy utilizados en la actualidad para hogares e industrias. Otra alternativa es la energía eólica que se obtiene por medio de aerogeneradores, los cuales convierten la energía mecánica en energía eléctrica, el motor es impulsado por el viento a través de unas aspas adaptadas a este, generando un movimiento mecánico en el motor y obteniendo de este movimiento en energía eléctrica, los hay de diversos tamaños y formas para suplir diferentes necesidades según se requiera.
2 Naciones unidas, cambio climático. [en linea] [consultado 19 de junio del 2020] Disponible en:
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Ambas energías provienen de fuentes inagotables y su generación no presenta impactos negativos para el medio ambiente, pero el correcto funcionamiento de ellos es dependiente de las características del clima, del sitio donde van a ser implementados, se dice que Colombia es uno de los países que más favorece este tipo de sistemas eléctricos por sus condiciones climáticas y su posición geográfica, en el siguiente trabajo de grado se caracterizará un sistema eólico y uno solar, en la ciudad de Bogotá, en la localidad de Usme, al sur de la ciudad y se realizarán pruebas para determinar ¿Cuál de los dos sistemas es más competente para alimentar dispositivos de baja potencia?
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2. OBJETIVOS 2.1 GENERAL
Comparar la eficiencia entre los sistemas energéticos solar y eólico, utilizándolos para la activación de dispositivos de baja potencia en la localidad de Usme al sur de Bogotá.
2.2 ESPECÍFICOS
• Realizar un estudio de antecedentes para hacer una identificación de
componentes y parámetros que permitan medir la eficiencia de energías renovables.
• Identificar las características de diseño de los sistemas eólicos y solares que permitan trabajar con iluminación led.
• Implementar los sistemas eólico y solar según los datos obtenidos.
• Analizar los datos de las mediciones una vez realizado el montaje de los sistemas de energías limpias.
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3. JUSTIFICACIÓN
En un mundo como el planeta tierra, donde la cantidad de habitantes es cada día más alto y los recursos existentes en el planeta para la subsistencia de los seres vivos que habitan en él, cada vez son más escasos, nace la necesidad de encontrar formas de lograr un equilibrio con el planeta y tratar de no afectarlo con el paso del tiempo, o sea que no se debe afectar o tratar de hacerlo en lo más mínimo, para que el planeta pueda seguir sirviendo como albergue para sus habitantes por mucho más tiempo. Actualmente la población mundial está alrededor de los 7000 millones de personas y se espera que
para el año 2050 sea de aproximadamente de 9000 millones de personas.3Como es de
concluir, a mayor número de habitantes mayor será el perjuicio que tendrá que soportar el medio ambiente.
Por esta razón, los problemas del planeta tierra se convierten en problemas para sus habitantes, como por ejemplo la raza humana, que con el paso del tiempo ha ido elevando su número de habitantes de una forma acelerada, lo que ha conllevado a que surjan cambios en el medio ambiente, cambios no muy favorables para el bienestar del planeta y tampoco para sus habitantes, con el paso del tiempo la situación va a ser peor y la falta de conciencia en la humanidad además de otras causas, llevarán a que la vida en la tierra, a futuro, no sea bajo las mismas condiciones favorables con que se cuenta hoy en día, sino por el contrario subsistir en el planeta será un desafío.
El aumento de seres humanos en todas las partes del mundo tiene consecuencias negativas hacia su entorno, afectando no solamente su propio bienestar, sino que también el de los demás, la explotación de recursos naturales, la agricultura y la industria, pueden considerarse factores que contribuyen al daño del medio ambiente, y el problema más grande es la falta de conciencia para conservar y proteger el lugar donde se habita. En los últimos años hay un problema de escala mundial y no es fácil de combatir, para poder hacerlo se requiere la colaboración de todas las naciones del mundo, persona a persona deben aportar su granito de arena y así contribuir a la solución de este problema “el cambio climático” que es el aumento en la temperatura global por un efecto invernadero dada por algunos tipos de gases. El aumento en la temperatura a nivel global 3 ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS, Noticias: población mundial. [en línea][consultado el 22 de abril del 2020] disponible
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trae consigo graves consecuencias para todos los habitantes del planeta y afecta la vida de todos los seres que habitan en el mundo.4
Con relación en esta clase de problemas, diferentes naciones se han reunido con el fin de tomar cartas en el asunto y bregar a construir una estrategia en pro de que todos los países contribuyan en la solución de una u otra manera, como, por ejemplo, creando políticas y estrategias, para empezar a combatir todo efecto negativo que se produzca por la mano del hombre y afecte al medio ambiente. Para ello además de crear políticas que favorezcan esta labor se debe brindar una educación a niños y adultos con el fin de crear conciencia en el cuidado y la conservación del planeta, enfocar la cultura, tecnologías, trabajos y todo aquello que contribuya en el cuidado y bienestar del medio ambiente.
En relación con este tipo de reuniones la primera se realizó en Estocolmo Suecia y tuvo como nombre “la cumbre de la tierra” en 1972, con una asistencia de 113 países, donde se creó el programa de las naciones unidas por el medio ambiente, donde se declararon 26 principios y 109 recomendaciones, con el fin de buscar el bienestar del ser humano y con ello el del medio ambiente para su posterior subsistencia, el documento a partir de esta reunión fue llamado la declaración de Estocolmo y fue una base para posteriores reuniones5.
Otra reunión que se realizó fue el Acuerdo de parís6, en este acuerdo se buscaba tener
una resistencia y adaptación de los países al cambio climático, con respecto de la producción industrial y agrícola, así mismo con el fin de mantener el aumento en la temperatura por debajo de los 2 grados centígrados y tratar de llevarlo lo más cerca posible a 1.5 grados centígrados, al igual, busca la unión entre estados con el fin de luchar contra el cambio climático, la producción de gases de efecto invernadero, la colaboración y el apoyo de los países más desarrollados hacia aquellos en vía de 4 COPPINI,MARIA VICTORIA, Calentamiento global, cambio climático y efecto invernadero [en línea] [consultado 22 de abril del 2020]
Disponible en: https://geoinnova.org/blog-territorio/calentamiento-global-cambio-climatico-efecto-invernadero/
5 La cumbre de la tierra, documento pdf, [en línea] [consultado: 22 de abril del 2020] Disponible en:
https://www.dipublico.org/conferencias/mediohumano/A-CONF.48-14-REV.1.pdf
6 Acuerdo de parís, acuerdo de parís pdf [en línea] [consultado: 22 de julio del 2020]. Disponible en:
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desarrollo, con ello también se busca combatir la pobreza. También hubo otra reunión la cual recibió el nombre de Protocolo de Kioto7, es un acuerdo internacional realizado en
el marco de las naciones unidas con el fin de reducir la producción de 6 tipos de gases de efecto invernadero causantes del calentamiento global. Cada país tiene establecida la cantidad de emisiones que debe reducir a determinado tiempo, debe construir las políticas y ver que sea económicamente viable realizar este proceso.
Los gases que causan este efecto se producen a partir de la quema de carbón, derivados del petróleo, entre otros, estos elementos reciben el nombre de materiales fósiles y se utilizan principalmente en la generación de energía eléctrica.
En este orden de ideas se hace necesario realizar un cambio acerca de cómo generar energía eléctrica, de manera que no se vea afectado de forma negativa el medio ambiente, como hasta el momento, las energías limpias y renovables son una posible solución pues mitigan el impacto negativo en el medio ambiente ya que no producen gases que perjudican al medio ambiente y por el momento es la mejor opción para darle solución a este problema. Dos de las formas de generar energías limpias entre las existentes, son los sistemas solares y eólicos. El objetivo de este trabajo de grado es caracterizar los paneles solares y los generadores eólicos, para identificar por medio de pruebas de campo, cuál de los dos sistemas es más eficiente al momento de alimentar dispositivos de baja potencia, ya que su uso puede ser aplicado a diferentes sitios como por ejemplo dar luz a alguna parte de la casa, de un apartamento, una bodega o cualquier zona específica en la que se requiera iluminación. Estas pruebas de campo para los dos sistemas eléctricos, se realizarán en la ciudad de Bogotá, en la localidad de Usme, lugar que, según las características del clima, brindarán algunos valores de energía obtenida, para su posterior análisis.
Se desea brindar un punto de vista a las personas que estén interesadas en trabajar con este tipo de energías limpias en la ciudad de Bogotá, para que tengan el conocimiento acerca de cuál podría ser la mejor opción al momento de elegir entre paneles solares y generadores eólicos.8
7 Protocolo de Kioto, documento pdf. [en línea][consultado el 22 de julio del 2020] Disponible en:
https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpspan.pdf
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4. ANTECEDENTES
Partiendo de la idea de que es supremamente urgente realizar una actualización en todos los sistemas eléctricos del mundo, con el fin de adquirir energías limpias y renovables, la agencia internacional de energías renovables (IRENA) es una organización intergubernamental que se encarga de la promoción de la energía renovable en todo el mundo, fue creada 2009 por Alemania, España y Dinamarca. Su objetivo es proporcionar asesoramiento sobre políticas concretas y facilitar la capacidad y la transferencia de tecnología que contribuyan a la obtención de energías limpias para el sostenimiento energético en cualquier lugar del mundo. Han creado un sistema de almacenamiento de energía, basados en la cantidad de energía que se recibe, su proceso de almacenamiento y su forma de alimentar cualquier sistema energético optimiza esta función.
Como lo que se busca es economía al momento de realizar el almacenamiento de energía ya que es un dinero que se invierte pero que no es productivo, buscaron la forma de optimizar dónde guardar la energía para luego distribuirla en una red. Partiendo de este punto de vista que recalca IRENA, se debe seleccionar del mercado el mejor sistema para el almacenamiento de energía, con esto se hace referencia al más eficiente y menos costoso, se podría considerar el uso de baterías para este trabajo de grado.9
Así, por ejemplo, en Colombia se realizó un estudio de apoyo energético, “de energía fotovoltaica a la red de suministro”, establecida para el consumo en los hogares, siendo esta energía fotovoltaica no almacenada, solamente transferida para ser consumida directamente. Se dice en este estudio que a futuro en Colombia la energía solar y la eólica tendrán un gran impacto, pero que en el momento no es fácil su implementación por cuestiones económicas y políticas que no facilitan su aplicación. Un punto a favor en el país es su posición global, debido a que los países cercanos a la línea del ecuador tienen una mayor ventaja que los países europeos, ya que los rayos solares proporcionan mayor eficiencia a esta altura del hemisferio, además los vientos son favorables, por lo que la energía eólica es otro punto importante para la generación de energías limpias10.
Ciencia UAT, Jun 2017, vol.11, no.2, [sitio web] [22 de marzo del 2020] Disponible en: http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S200778582017000100105&lng=es&nrm=iso&tlng=es
9IRENA.IRENA_Storage_valuation_2020.pdf. [sitio web]. [consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en:
https://www.irena.org//media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Mar/IRENA_Storage_valuation_2020.pdf.
10 López, Krumm, Schttenh… Solar PV generation in Colombia - A qualitative and quantitative approach to analyze the potential of
solar energy market [en linea][consultado el 15 de mar del 2020] Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960148119315575
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Pero qué son las energías fósiles, hace referencia a la energía no renovable, que genera gases perjudiciales en la atmósfera, por ejemplo, los derivados del petróleo, el gas, el carbón, al ser quemados generan gases de efecto invernadero y así contribuyen al calentamiento global, que está afectando a todo el planeta. Ahora las energías limpias y renovables son aquellas que en su producción no generan residuos, ni provocan un impacto negativo en el ambiente, se obtienen de la naturaleza sin afectarla, un ejemplo de esto es la energía solar, eólica, térmica, entre otras, son energías de fuentes inagotables. Por esta razón es necesario que se mejoren las políticas con respecto a las energías renovables y se presente propuestas por parte del estado para empezar con la generación de energías limpias.11
En un estudio de factibilidad que fue realizado por estudiantes de la Universidad Católica de Colombia, donde se pretendía la implementación de un generador eólico, para el sustento energético de un colegio ubicado en la ciudad de Bogotá en el sector de Yomasa, se puede evidenciar que no solamente se logra una ayuda al medio ambiente con la aplicación de energías limpias, sino que además, se consigue una ganancia económica, eso sí a largo plazo, lo que agrega un punto adicional que favorece la adquisición de sistemas que generen energías de fuentes naturales e inagotables como en este caso es el viento. Cabe notar que el costo de las piezas necesarias para la construcción del aerogenerador de 20 KW/h que ellos estimaron para su proyecto, está por encima de los 100 millones de pesos, lo que a su proyecto se vería compensado a partir de los 3 años de uso.
Para este proyecto se utilizará un generador eólico de 10-15 w, de este valor se parte y se verificará si en realidad puede generarlo sin inconvenientes o cuánto llegará a generar teniendo en cuenta los vientos de la ciudad.12 En un artículo de una revista científica
(Ciencia, ingeniería y educación científica. Vol.1 # 31 ) de la Universidad Distrital Francisco José de Paula de Nariño, artículo que trata sobre una metodología (Metodología para la determinación de características del viento y evaluación del potencial de energía eólica en Túquerres-Nariño), que se puede tener en cuenta para este trabajo, ya que indica que es necesario realizar un estudio de factores en el sitio donde se van a tomar las muestras de los datos, factores como velocidad y dirección del
11 SCIENCEDIRECT. Solar PV generation in Colombia - A qualitative and quantitative approach to analyze the potential of solar energy
market. [online] [consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en: Colombia.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148119315575?via%3Dihub
12 Gómez Flores, N. J. & Lizcano Sánchez, V. (2017). Eficiencia de la energía eólica en Yomasa “prueba piloto colegio Ofelia Uribe
de Acosta. Trabajo de Grado. Universidad Católica de Colombia. Facultad de Ciencias Económicas y Administrativas. Programa de Economía. Bogotá, Colombia.
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viento, de esta manera se optimiza la generación de energía a partir del viento en cualquier sitio donde se piense implementar el montaje de un generador eólico, para la obtención de energías limpias y renovables, y así conseguir un mayor movimiento en la turbina, por consiguiente mayor energía.13
En la revista de Ciencias Técnicas Agropecuarias vol. 28 # 1, en Cuba, se realiza un estudio de 4 paneles solares donde se toman diferentes muestras y con ello concluyen qué sus paneles tienen una eficiencia del 12.4 % aproximadamente, también se concluyó que los paneles solares trabajan con un aproximado del 12% de lo que realmente pudiesen producir, esto debido a factores como la reflexión de los fotones solares, la intensidad y el estado del clima. Es de tener en cuenta esta descripción ya que puede ser útil a la hora de realizar la medición, para así tratar de posicionar el panel en el mejor ángulo y así poder obtener su mayor provecho, ya que la idea, es que trabaje a su mayor capacidad y de esta forma hacer la comparación con la energía eólica en sus mejores
valores. En una empresa de nombre Sun Power14 que se encarga de la fabricación de
paneles solares, cuenta como dato que los paneles de alta calidad o eficiencia son aquellos que producen a partir del 19% de su capacidad, por debajo de este valor no son malos simplemente manejan valores estándares esta empresa tiene paneles hasta de 22% de eficiencia, valores altos en el mercado de los paneles solares.15
En el artículo “Extrayendo la Máxima Energía a los Paneles Solares”, realizan un estudio sobre las épocas del año donde se puede adquirir el mayor provecho de la luz solar, de igual manera trata sobre los ángulos más favorables y la época del año para tener en cuenta según cada ciudad dónde realizaron el estudio. Es importante tener en cuenta este artículo al momento de realizar la medición con el panel solar, para así lograr tener el mejor provecho de la luz solar y tener la medición más alta que en el momento se pueda alcanzar. Por esto se ha sacado el siguiente cuadro a tener en cuenta para la realización de este trabajo de grado.16
13 UNIVERSIDAD FRANSISCO JOSE DE CALDAS. Methodology for the determination of wind characteristics and assessment of
wind energy potential in Túquerres – Nariño. [en línea] [consultado 22 de marzo del 2020] Disponible en: https://revistas.udistrital.edu.co/ojs/index.php/revc.ie/article/view/12304
14 Sun Power [en linea][consultado el 22 de mar del 2020] disponible en: https://us.sunpower.com/products/solar-panels
15 CIENCIAS TECNICAS AGRIPECUARIAS. Develop of a system for the mensuration of the energy efficiency of solar cells. [en línea].
Cuba. [consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en: https://pdfs.semanticscholar.org/72bc/8af3b1cb04bab60f92fe887c06b9e50aaf95.pdf
16 SUNFIELDS EUROPE. Los paneles solares de mayor eficiencia. [en línea] Europa. [consultado 20 de marzo del 2020]. Disponible
24
En la tabla 1 se puede observar que la época más óptima para obtener energía por el sol es a mediados del año, ya que las épocas de fin y comienzos de año, son muy frías y hay poca radiación solar.
Igualmente, esto tiene que ver con las épocas donde hay mucho viento, por ejemplo, en Bogotá la época de agosto se utiliza para elevar cometas ya que los vientos son constantes y con más fuerza.17
TABLA 1 ÉPOCAS DEL AÑO CON MAYOR Y MENOR RADIACIÓN SOLAR.
Periodo del año Periodo día
3.7 meses 1 de mayo – 22 de agosto 21 de junio = 8.3KWh/m2 4.3 meses 30 de octubre – 10 de febrero 17 de diciembre = 3.0KWh/m2
Fuente: Elaboración propia.
La energía en Colombia, como se puede ver en la ilustración 1, es obtenida principalmente de fuentes hidráulicas, donde los ríos de la región son las principales fuentes energéticas del país, también producen energía por medio de materiales fósiles y un porcentaje bajo se produce energías limpias, esto tiene que empezar cambiar y debe ser un objetivo del gobierno comenzar a crear normas y facilidades para la implementación de estas tecnologías que permiten generar energía sin afectar el medio ambiente.
17 UNIVERSITY OF HASSAN 1ST, FACULTY OF KHOURIBGA, LABORATORY OF NANOSCIENCES AND MODELING,
KHOURIBGA, MOROCCO SCIENCEDIRECT. Extracting the maximum energy from solar panels.[en línea]. [consultado 20 de marzo del 2020]. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352484717301725
25
ILUSTRACIÓN 1. FUENTES DE ENERGÍA EN COLOMBIA.
Fuente: BIG. Energías para el futuro. [en línea][consultado 23 de marzo del 2020]. Disponible en:
https://blogs.iadb.org/energia/es/la-matriz-energetica-de-colombia-se-renueva/
En estos momentos, Colombia ha implementado unos incentivos tributarios con FNCER (fuentes no convencionales de energías renovables) la idea es que apoyen a la electricidad del país en 1 Mw/h y con el transcurrir de los años alcance a sostener el consumo del país en un buen porcentaje, tanto así que, si hubiese sequías en un futuro, el suministro de energía sea capaz de sostener la demanda en ese momento.18
A nivel Latino América, 10 países entre ellos Colombia se han propuesto aprovechar energías limpias al 70% de su producción energética para el año 2030, con esto se busca favorecer el medio ambiente y contrarrestar el cambio climático a causa de los gases de efecto invernadero.19
A nivel mundial las cosas son similares, entidades como IRENA, OMM, OIEA y grandes empresas a nivel mundial como APPLE, BMW, COCA-COLA, GOOGLE, IKEA, entre otras ya están trabajando en sus reglamentos, políticas e infraestructura en el manejo de energías limpias y renovables, de esta manera contribuyendo al bienestar del medio ambiente y todo lo que este calentamiento global conlleva.20
18 BIG. Energías para el futuro. [en línea][consultado 23 de marzo del 2020]. Disponible en:
https://blogs.iadb.org/energia/es/la-matriz-energetica-de-colombia-se-renueva/
19 14 PV MAGAZINE. 10 países de América Latina y El Caribe anuncian la meta de 70% de energías renovables a 2030 [sitio
web][consultado el 23 de marzo del 2020] https://www.pv-magazine-latam.com/2019/12/11/10-paises-de-america-latina-y-el-caribe-anuncian-la-meta-de-70-de-energias-renovables-a-2030/
26
En la Universidad Estatal de Michigan como se puede ver en la ilustración 2, un grupo de investigadores han creado un panel solar transparente, que trabaja casi bajo las mismas condiciones de un panel convencional, esto da paso a la extensión de las energías fotovoltaicas, puesto que su aplicación es diversa, podría aplicarse en ventanas de casas, edificios, coches, buses, pantallas de celulares, observe que tiene muchas aplicaciones, con esto puede que la implementación de las energías limpias comience al alza, primero porque con el paso del tiempo y la evolución de la tecnología, va a ser más fácil implementar energías limpias y renovables, de esta manera se ayudaría enormemente a mitigar el impacto negativo que siguen generando la quema de elementos fósiles para la producción de energías y en segundo lugar porque el planeta con el transcurrir de los años, obligara a hacerlo, su deterioro obligará a tomar medidas favorables para producir energía sin perjudicar el planeta y de esta forma salvaguardar todo ser vivo que habita en él.21
ILUSTRACIÓN 2 PANEL SOLAR TRANSPARENTE.
Fuente: Paneles solares transparentes para generar energía limpia 2020.[en línea][consultado: 24 de abril del 2020]. Disponible en:
https://ecoinventos.com/paneles-solares-transparentes/
En un artículo hecho por Pablo Gómez y Manuel Guzmán, de la Universidad EAFIT Escuela de economía y finanzas, da a conocer los efectos que tiene el calentamiento global sobre la economía de un país en este caso Colombia, se hace referencia de cómo el calentamiento ha aumentado de forma abrupta en el último siglo, debido al aumento
marzo del 2020]. Disponible en: https://www.expoknews.com/12-empresas-lideres-en-energias-renovables/
21 Paneles solares transparentes para generar energía limpia 2020.[en línea][consultado: 24 de abril del 2020]. Disponible en:
27
de la población, las actividades industriales y todas aquellas actividades que tengan que ver con la quema de materiales fósiles, los principales generadores de gases de efecto invernadero y estos a su vez los causantes del calentamiento global.22
En un trabajo de grado realizado por Juan Antezana Núñez, en la Universidad de chile, en la facultad de ingeniería eléctrica, titulado: “Diseño y Construcción de un Prototipo de Generador Eólico de Eje Vertical”, visible en la ilustración 3, hace referencia que al momento de construir un generador eólico es necesario tener en cuenta que son más eficientes los generadores que utilizan motores de AC y que si se llegase a requerir energía DC sería cuestión de colocar una etapa de rectificación para cumplir este propósito, puesto que los motores DC son muy susceptibles a las pérdida y no están físicamente hechos para ser utilizados como generadores eólicos, además cuenta el trabajo que para pequeños aerogeneradores es viable crearlo de forma vertical y darle un funcionamiento omnidireccional para que no tenga que ser adaptado a la posición de viento, si no que sea funcional en cualquier lugar sin importar la dirección del viento.23
ILUSTRACIÓN 3. GENERADOR EÓLICO DE ENERGÍA ALTERNA CON ETAPA DE RECTIFICACIÓN.
Fuente: Universidad de Chile, ingeniería eléctrica. Diseño y Construcción de un Prototipo de Generador eólico de Eje
Vertical. [en línea] chile.[consultado 24 de marzo del 2020]. Disponible en: https://www.uv.es/~navasqui/OtrosAerogeneradores/Aerogen-vertical.pdf
22gomez,guzmán,_repositorio_universidad_EAFIT.[en línea],[consultado 25 de mayo del 2020]. Disponible en:
https://repository.eafit.edu.co/bitstream/handle/10784/15338/Pablo_Gomez_Manuel_Guzman_2019.pdf?sequence=
23 UNIVERSIDAD DE CHILE, INGENIERIA ELECTRICA. Diseño y Construcción de un Prototipo de Generador eólico de Eje Vertical.
[en línea] chile.[consultado 24 de marzo del 2020]. Disponible en: https://www.uv.es/~navasqui/OtrosAerogeneradores/Aerogen-vertical.pdf
28
5. MARCO DE REFERENCIA MARCO TEÓRICO
Radiación solar: La radiación solar son las ondas electromagnéticas producidas por el
sol, viajan a la velocidad de la luz, con base en la longitud de onda y la frecuencia de las ondas electromagnéticas, es posible averiguar su penetración, visibilidad y energía. Esta radiación contiene principalmente 3 tipos de rayos, en primer lugar están los infra rojos, son los que proporcionan calor, en segundo lugar están los rayos visibles, son los que proporcionan luz, en tercer lugar están los ultra violeta, estos a su vez se dividen en tres tipos: ultravioleta A, llegan hasta la superficie terrestre sin dificultad, ultravioleta B, llegan fácilmente a la linea del ecuador pero les cuesta llegar a las partes polares, ultravioleta C, no atraviesan la atmosfera y son absorbidos por la capa de ozono24.
Viento: El viento es un flujo de aire, aire que se mueve de un lugar a otro bajo ciertas
condiciones atmosféricas. Se produce gracias al sol, pues se genera cuando el sol calienta de forma desigual la superficie terrestre, y deja zonas con aire caliente y otras con aire frio, esto produce una presión atmosférica, que hace que el aire frio descienda y el aire caliente se eleve, produciendo el movimiento del aire, a esto se le llama viento. Su velocidad y fuerza depende de la presión que se forme entre el aire caliente y el frio, por ello a mayor presión mayor será la velocidad y la fuerza del viento25.
Zonas del planeta y de Colombia que cuentan con mayor radiación solar: Las zonas
del planeta donde se cuenta con mayor radiación solar, son las zonas que están sobre la línea del ecuador, ya que estos lugares son golpeados de forma directa por la radiación del sol, por eso, en los polos la radiación del sol es poca. Ahora en Colombia las zonas que presentan mayor radiación solar definido por el IDEAM son aquellas que presentan un valor HSP superior o igual a 4.5 𝐾𝑊ℎ/𝑚2, y las zonas del país con un índice menor a este valor son zonas bajo rendimiento para la producción fotovoltaica. En la página del IDEAM se puede encontrar el mapa de radiación solar colombiano donde especifica cada lugar con su respectivo valor de radiación sobre metro cuadrado26.
24 Energía solar. . [en línea][consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en: https://n9.cl/3fypt
25KITEANDROLLTARIFA [en línea][consultado 26 de agosto del 2020]. Disponible
en:https://kiteandrolltarifa.com/aprendiendo-el-viento/se-produce-viento/
29
Zonas del planeta y de Colombia que cuentan con vientos de altas velocidades: Las
zonas del planeta donde se cuenta con mayores vientos, son las zonas donde existe un cambio entre aire frio y aire caliente, esto genera una presión en la atmosfera y genera un movimiento fuerte del aire provocando viento, entre mayor es el cambio entre las temperaturas, mayor será el movimiento del aire y por ende mayor la velocidad del viento. Un ejemplo puede ser el monte del Everest, cuando el aire frio de esta montaña desciende y se encuentra con el aire en la base de la montaña, más cálido, genera una presión atmosférica tal, que los vientos de esta zona cuentan con velocidades considerables27.
También en las zonas costeras se generan vientos considerables, esto debido a que, en el día, el agua del mar se calienta más lento que la tierra (costa) esta diferencia de temperaturas genera una presión atmosférica, en la noche el agua del mar se enfría más lento que la tierra, nuevamente generando presión atmosférica, es por ello que las zonas costeras cuentan con vientos favorables, pues tanto en el día como en la noche se genera un movimiento del aire28. En la página del IDEAM se puede consultar el mapa de vientos,
donde se encuentra el mapa de Colombia con los valores de las velocidades del viento de cada zona del país.
Historia de los paneles solares: Edmund Betquerel, en el año 1839 descubrió el efecto
fotovoltaico (generación de voltaje cuando un material se expone a la luz), más tarde en 1883 Charles Fritts, presenta el primer diseño de una célula fotovoltaica, luego en 1905 el físico Albert Einstein formulo la teoría del efecto fotoeléctrico (fotones liberan electrones de una superficie metálica), posteriormente en 1954 los laboratorios Bell construyen la primer célula fotovoltaica con una eficiencia de 4%, más tarde la NASA para el lanzamiento de satélites al espacio, ayuda en la mejora y optimización de los paneles solares, en 1973 se construye el primer edificio solar, de nombre Solar one, en 1981 se construye en primer avión que traba con energía solar, de nombre Solar Challenger y en 2016 se da la vuelta al mundo con el avión solar Impulse 2, el primer viaje alrededor del mundo sin emisiones29.
27 Red Bull.[en linea][consultado el 25 de nov del 2020] disponible en:
https://www.redbull.com/co-es/7-lugares-con-mas-viento-del-mundo
28 Ambientum. [en linea] [consultado el 25 de nov del 2020] disponible en:
https://www.ambientum.com/enciclopedia_medioambiental/atmosfera/la-circulacion-general-de-la-atmosfera.asp
30
El panel solar: es un dispositivo que, junto a otros elementos, aprovecha la radiación
solar para generar energía eléctrica o térmica. Como se puede apreciar en la ilustración 4, existen dos tipos, los colectores solares y el panel fotovoltaico, los colectores solares convierten los rayos solares en calor y los paneles fotovoltaicos transforman los rayos solares en energía eléctrica. El panel solar posee dos clases de capacidades: La potencia que alcanza y la que es capaz de entregar.30
ILUSTRACIÓN 4 PARTES DE COLECTOR SOLAR Y CÉLULA FOTOVOLTAICA
Fuente: COMOFUNCIONA. [en línea][consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en: https://como-funciona.co/un-panel-solar/
El generador eléctrico: o generador de energía eléctrica como se puede observar en la
ilustración 5, es un dispositivo que mantiene una diferencia de potencial eléctrico entre 2 de sus puntos, por medio de un movimiento mecánico es capaz de generar electricidad, prácticamente su función es contraria a la de un motor que convierte energía eléctrica en movimiento.31
30 COMOFUNCIONA. [en línea][consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en: https://como-funciona.co/un-panel-solar/ 31 EDUC.AR. motor y generador eléctrico. [en línea][consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en:
31
ILUSTRACIÓN 5 PARTES DE UN MOTOR-GENERADOR DC
Fuente: EDUC.AR. motor y generador eléctrico. [en línea][consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en: https://www.educ.ar/recursos/128940/motor-y-generador-electrico
Generador eólico que se puede observar en la ilustración 6, también recibe el nombre de aerogenerador, es un motor al cual se adapta una hélice con el fin de que el viento las pueda mover, y de esta manera producir energía eléctrica, estos generadores se pueden conseguir en el mercado viene de diferente tamaños y capacidades.32
ILUSTRACIÓN 6 PARTES DE UN GENERADOR EÓLICO
Fuente: LBA INDUSTRIAL. Generador eólico. [en línea].[consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en: http://www.lbaindustrial.com.mx/generador-eolico/
32 LBA INDUSTRIAL. Generador eólico. [en línea].[consultado 22 de marzo del 2020]. Disponible en:
32
5.1.1 Energías limpias y renovables. Se le llama energías limpias y renovables a: aquella energía producida por el medio ambiente como, por ejemplo, la obtenida a través del sol, el aire, los ríos, entre otros, su generación y uso no genera residuos, ni afectaciones en el medio ambiente, en su mayoría provienen de fuentes inagotables como lo es el viento, el sol, el agua, que son fuentes inagotables para la producción de energía.
En la actualidad se requiere a nivel mundial la implementación de este tipo de energías, para poder hacerle frente al cambio climático que tanto afecta hoy en día, que a futuro traerá problemas de tipo social, económico, afectará la salud y también el hábitat de todos los seres vivos del planeta, en estos momentos todos los países deben empezar con la implementación de energías limpias para el sustento de la demanda energética de todos sus ciudadanos, a continuación la ilustración 7, referente a energías limpias y renovables.33
ILUSTRACIÓN 7 REFERENTE A ENERGÍAS LIMPIAS Y RENOVABLES
Fuente: APPA. Asociación de empresas de energías renovables. [sitio web][consultado 23 de marzo del 2020]. Disponible en: //www.appa.es/.
33 APPA. Asociación de empresas de energías renovables. [sitio web][consultado 23 de marzo del 2020]. Disponible en:
33
La eficiencia energética hace referencia al óptimo uso de la energía, se trata de realizar un determinado trabajo utilizando la menor cantidad de energía, pero cumpliendo con el objetivo establecido. Por ejemplo, las antiguas bombillas incandescentes de 60 vatios prestan el mismo servicio que las nuevas bombillas led luz blanca de 7 vatios. La eficiencia de un panel solar o un aerogenerador está en su capacidad para cumplir con una función o tarea en específico.
Con base en la información recolectada en la propuesta de grado se desarrolló la ilustración 8, siendo este el posible diseño que se va a implementar, puesto que sus componentes son los básicos para realizar el montaje de cualquier sistema de energía fotovoltaica, en primer lugar, el panel que es, el encargado de capturar los rayos del sol y convertirlos en energía eléctrica, en segundo lugar, un regulador de voltaje, que ayuda a mantener el voltaje que entra a la batería regulado, para que no sufra sobrecargas, en tercer lugar una batería, que guarda la energía obtenida por el panel y en último lugar la luminaria que trabajaría con la energía acumulada en la batería.
ILUSTRACIÓN 8 POSIBLE DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA ESTE PROYECTO.
Fuente: Elaboración propia.
Con base en la información recolectada en la propuesta de grado se desarrolló la ilustración 9, siendo este el posible diseño que se va a implementar, puesto que sus componentes son los básicos para realizar el montaje de algunos sistemas de energía eólica, como primer elemento tenemos el aerogenerador, que es el que toma el aire para mover las hélices del rotor y así producir movimiento, este movimiento que es energía mecánica el rotor la convierte en energía eléctrica, como segundo elemento tenemos un regulador de voltaje, que ayuda a mantener el voltaje regulado para que este sea almacenado en la batería, para que esta no sufra sobrecargas, como tercer elemento
34
tenemos una batería que conserva la energía obtenida por el aerogenerador y por último la luminaria, que es la carga del sistema, esta trabajaría con la energía acumulada en la batería.
ILUSTRACIÓN 9 POSIBLE DISEÑO DEL SISTEMA EÓLICO PARA ESTE PROYECTO.
Fuente: Elaboración propia
Protocolo de Kioto: es un protocolo que se realizó por las naciones unidas con el fin de que los países industrializados bajen las emisiones de 6 tipos de gases de efecto invernadero, lo que se busca es la obtención de energías limpias y renovables para lograr esta disminución de estos gases y de esta manera poder disminuir el impacto que generan estos gases en la atmósfera terrestre.34
Algunas soluciones al calentamiento global: En la página de National Geographic hace referencia a que se debe realizar un cambio en algunos sectores económicos a nivel mundial ya que el crecimiento de la población y las labores industriales como las cotidianas generan en gran cantidad gases de efecto invernadero que aumentan en gran proporción el calentamiento global, como una de las soluciones que se pueden aplicar para poder mitigar estos gases es la generación de energía por medio de los sistemas energéticos solares y eólicos, además de otras recomendaciones que tienen descritas en la página como, más reciclaje, menos conducir, menos gasto energético, entre otras.35
34foro nuclear. [en línea] [consultado 5 de mayo del 2020] Disponible en: https://www.foronuclear.org/en_2010/9_01.htm
35 NATIONAL_GEOGRAPHIC [en línea][consultado 5 de mayo del 2020]. Disponible en:
35
5.2 MARCO CONCEPTUAL
EFECTO INVERNADERO: El efecto invernadero hace referencia a la elevación de la
temperatura de la atmósfera próxima a la corteza terrestre, por la dificultad de que se disipe la radiación calorífica, debido a la presencia de una capa de gases (gases de efecto invernadero), especialmente dióxido de carbono, procedentes de las combustiones industriales y otras actividades. Normalmente en la tierra se generan gases de este tipo, pero en una cantidad baja, como por ejemplo el metano (gas efecto invernadero), se produce por los materiales en descomposición. Pero con el aumento de la población en el mundo, la industria, entre otros, estos gases han aumentado de forma considerable36
el aumento de estos gases genera más calor en la tierra, por ende, el calentamiento global, que afectará a todos los habitantes del planeta tierra en el futuro.
ENERGÍAS RENOVABLES: Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene
de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales, esta clase de energías puede contar de manera positiva en la restauración del planeta, así lo afirma la ONU37 en un artículo publicado en Energías Renovables. Cabe destacar que las
energías renovables existen en diferentes campos, por ejemplo, está la energía que se obtiene a través del sol, la que se obtiene a través del viento, la que se obtiene a través de la fuerza del agua, entre muchas otras.
ENERGÍAS LIMPIAS: La energía limpia es un sistema de producción de energía con
exclusión de cualquier contaminación o la gestión mediante la que nos deshacemos de todos los residuos peligrosos para nuestro planeta, o sea que es aquella que no produce ningún contaminante, en la actualidad y gracias a los avances tecnológicos hay muchas formas de obtener energías de forma limpia, un ejemplo de esto, es la que se puede obtener con los paneles solares, este tipo de energía se llama fotovoltaica y consiste en captura los rayos del sol y convertirlos en energía eléctrica.38 Otro tipo de energía limpia
es la que se produce por medio del viento, recibe el nombre de energía eólica, y esta por
36 Oceana protegiendo los océanos del mundo.[en linea][consultado el 24 de nov del 2020] Disponible en:
https://europe.oceana.org/es/node/46897
37 Energías renovables. [en línea][consultado el 24 de nov del 2020]Disponible en: https://n9.cl/jkdg
38 COMPROMISO RSE. [en línea].[Consultado 24 de marzo del 2020].Disponible en:
36
medio de un aerogenerador captura la fuerza del viento de esta manera convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
EFICIENCIA ENERGÉTICA: El uso eficiente de la energía, a veces simplemente llamado
eficiencia energética o ahorro energético, el objetivo de reducir la cantidad de energía requerida para proporcionar productos y servicios o en otras palabras generar algún tipo de trabajo con la menor energía eléctrica posible en este proyecto se utilizaran luminarias, las cuales deben ser seleccionadas para que su trabajo se de en una forma eficiente, o sea que no consuma mucha energía eléctrica, pero que cumpla con un trabajo a satisfacción. Para este caso se utilizarán luminarias led.39
GASES EFECTO INVERNADERO: “Un gas de efecto invernadero (GEI) es un gas
atmosférico producido de forma natural o por la mano del hombre, que absorbe y emite radiación dentro del rango infrarrojo. Este proceso es la fundamental causa del efecto invernadero, así los gases acogen el calor en el planeta. Los principales GEI en la atmósfera terrestre son el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano, el óxido de nitrógeno y el ozono”. Estos gases son lo que se pretende tratar de controlar y no producirlo, para así, mitigar el impacto ambiental negativo que la producción de ellos genera.40
RECTIFICADOR DE VOLTAJE: Los reguladores de voltaje son artefactos que permiten
mantener el voltaje de la salida fijo, independiente de las variaciones de carga o de la entrada de voltaje. En los sistemas de energías fotovoltaicas y eólicas, se utilizan con frecuencia para regular el voltaje que entra en la batería y de esta forma evitar que la misma sufra algún daño, de igual forma se utilizan, aunque son rectificadores de otro tipo, pero su función es la misma, en automóviles, motocicletas, en entre otros.41
39 Buenos Aires Ciudad. [en linea] [consultado el 24 de nov del 2020] disponible en:
https://www.buenosaires.gob.ar/areas/med_ambiente/apra/des_sust/consumo_sust/etiquetado.php?menu_id=32417
40 Min Ambiente. [en línea].[consultado 24 de marzo del 2020]. Disponible en:
https://www.minambiente.gov.co/index.php/component/content/article/462-plantilla-cambio-climatico-18
41 RegElec.pdf. [en línea]. [consultado 24 de abril del 2020]. Disponible en:
37
6. METODOLOGÍA
Este trabajo de grado se realizó en las 4 fases que se describen en la ilustración 10, a continuación.
ILUSTRACIÓN 10 METODOLOGÍA
Fuente: elaboración propia
6.1 RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN.
En esta primera fase se realiza la búsqueda de información que sea propicia para hacer el diseño de un sistema eólico y solar.
• Búsqueda en bases de datos como ScienceDirect, Scopus y Google académico,
con ecuaciones de búsqueda como: sistemas eólicos, sistemas solares, diseños de sistemas eólicos, diseño de sistemas solares, componentes de un sistema eólico, componentes de un sistema solar, sistemas de energías limpias para iluminación led , entre otros. Se hace la búsqueda en inglés y español.
Recopilación de información. Diseño de los sitemas de energía. Análisis de los resultados. Implementación de los sitemas solar y eólico.
38
• Se tiene en cuenta todo lo referente a factores que influyen en el diseño y construcción de un sistema eólico, y solar.
• Una vez identificados los componentes a utilizar y su forma de emplear se prosigue con la siguiente etapa del proceso.
6.2 DISEÑO.
De acuerdo con la información recolectada en la fase anterior se realizaron las siguientes actividades:
• Realizar el diseño de dos sistemas eólico y fotovoltaico contando con los materiales que se puedan conseguir en el mercado o si es posible utilizar materiales reciclables que sirvan para la construcción de los sistemas, esto con fin de ayudar al medio ambiente y también para reducir costos en la implementación de los sistemas. • Los diseños se realizan tanto en su forma eléctrica, como en su forma física para cada uno de los sistemas.
6.3 IMPLEMENTACIÓN.
• Según la fase anterior se da comienzo con la construcción de los sistemas eólico
y solar.
• Se empiezan a realizar pruebas de funcionamiento, tomas de muestras para cada
sistema.
39
• Se da comienzo a la toma de muestras, y se empieza a caracterizar cada sistema
según la zona donde se realiza el estudio.
6.4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
• En esta última fase, con base en las muestras hechas, se hace la recolección de
datos.
• Con estos datos se realizan unas tablas para facilitar su análisis.
• Posterior a ello se definirá con respecto a ciertas características, que sistemas de energías limpias y renovables, es la más apta para alimentar luminarias en la localidad de Usme al sur de Bogotá D.C.
40
7. LIMITACIONES
• No fue posible conseguir el piranómetro por su alto valor, por ello se utilizaron las páginas que brindan esta información como los atlas solares.
• Para realizar el montaje de los dos sistemas de energía, se requería los laboratorios de la universidad, por la pandemia del Covid 19, se tuvo que realizar en casa, el proceso se basó en utilizar las herramientas con las que contaba y las que se pudo conseguir.
• Las pruebas se realizaron en lugares cerca al sitio de residencia, pues no se podía salir libremente a cualquier lugar.
• El costo del aerogenerador tan elevado obligo a realizar la construcción de uno para poder hacer las pruebas.
• Realizar la estructura mecánica fue un proceso complicado, por la falta de experiencia en esta clase de trabajos.
41
8. RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN 8.1 AEROGENERADORES EÓLICOS
Los aerogeneradores o generadores eólicos son aquellos motores eléctricos que, gracias a un sistema mecánico, aprovecha la energía cinética del viento y la convierte en energía eléctrica, existen en una gran variedad, tamaños y formas. En la actualidad el sistema eólico más grande del mundo está situado en el reino Unido, país donde existen 6 de los 10 parques con aerogeneradores que más energía producen en el mundo, contando con unos aerogeneradores de 190 metros de alto, una circunferencia de 75 metros y son capaces de generar hasta 7 MW (Mega-Vatios) cada uno, de los 174 aerogeneradores con los que cuenta este gran proyecto, el cual recibe el nombre de Hornsea Project one, la primera de tres etapas, con las que cuenta este mega proyecto.42
Desde hace muchos años la energía del viento ha sido utilizada por el ser humano para sacar provecho de ella, una de las primeras formas de explotar la fuerza del viento, fue la utilización de velas en los barcos para dar velocidad a estas naves y no tener que ejercer mucho trabajo humano. Esto dio pie para que también se crearán los molinos de viento, este entre otros artefactos que aprovechaban la energía del viento para realizar trabajos, facilitaban al hombre su desempeño en ciertas labores.
Hoy en día por la contaminación en la que se encuentra el planeta tierra, el aumento de personas en el mundo y el aumento en la demanda energética, se hace necesario acudir a toda clase de fuentes de energías limpias, nuevamente debemos acudir a la explotación de este recurso natural inagotable y no contaminante como lo es el viento, para poder generar energía y satisfacer la necesidad requerida por la humanidad para sus labores cotidianas.
Aunque existen algunos problemas con la instalación de aerogeneradores como lo son la contaminación visual en los paisajes, la contaminación auditiva por el ruido de los motores, la muerte de aves que se estrellan contra las turbinas y también las que mueren electrocutadas por posarse sobre los cables energizados, no dejan de ser una de las mejores opciones para generar energía no contaminante además que su fuente es inagotable y su producción es continua día y noche. Con el tiempo las aves corrigen su rumbo y evitan los obstáculos como lo hacen con los árboles, y los cables energizados
42 Álvarez, Raúl. Hornsea One: el parque eólico marítimo más grande del mundo que tendrá una capacidad de 1,2 GW. [página web].
[consultado: 26 de agosto del 2020]. Disponible en: https://www.xataka.com/energia/hornsea-one-parque-eolico-maritimo-grande-mundo-que-tendra-capacidad-1-2-gw
42
pueden ser aislados o enterrados para evitar electrocuciones.43 En este orden de ideas
la energía producida por la explotación del viento, es una opción positiva en cualquier lugar del mundo, que presente las características climatológicas ideales para tal acción.
8.1.1 Tipos de aerogeneradores. Los generadores eólicos se pueden encontrar como
generadores de corriente alterna o de corriente continua, esto depende del tipo de motor a utilizar en el sistema, o del proceso que se realice luego de generar la energía, así mismo podemos encontrar aerogeneradores de eje vertical u horizontal, reciben este nombre por la posición del eje que sostiene las aspas, dentro de ellos también existen otra variedad de aerogeneradores según su diseño y creador, pero bajo el mismo principio del eje vertical u horizontal. A continuación, su clasificación por la posición de su eje principal.
8.1.2 De eje horizontal.
8.1.2.1 Monopala. Son generadores de eje horizontal utilizados para la
alimentación de artefactos de mayor potencia que los de eje vertical, alcanzan velocidades mayores y son más eficaces que los de eje vertical, pero su diseño, inversión y estudio son más complejos, pueden alcanzar producción de energía en el orden de los Megavatios, según su tamaño y diseño.
8.1.2.2 Bipala. Son generadores de eje horizontal, capaces de alimentar
artefactos de una potencia considerable, alcanzan velocidades altas en su giro, pero su construcción, diseño e implementación es compleja, son menos complejos que los generadores Monopala, pero igual que ellos generan altas vibraciones y ruido.
8.1.2.3 Tripala. Son los más utilizados en la actualidad, pues su diseño permite
un giro más lento y suave lo que genera menor ruido y vibración además de ser más eficaz en aprovechar la fuerza del viento, llegan a alcanzar en su generación de energía
43 Oviedo-Salazar, J. L., et al. Historia y Uso de Energías Renovables History and Use of Renewable Energies. [en línea]. [consultado
43
hasta el orden de los Megavatios, pero su diseño es más complejo y costoso que los modelos anteriores.
En la ilustración número 11, se puede observar cada uno de los aerogeneradores de eje horizontal, en sus distintos modelos Monopala, Bipala y tripala.
ILUSTRACIÓN 11 AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL.
Fuente: tipos de energía. [en línea][consultado 28 de sep. del 2020]Disponible
en:https://tipos-de-energia.blogspot.com/2006/02/energa-elica-tipos-de-generadores.html
8.1.3 De eje vertical. Son aquellos que tienen su eje principal de forma vertical como se puede ver en la ilustración 12 y 13.
ILUSTRACIÓN 12 AEROGENERADOR EÓLICO SAVONIUS.
Fuente: BALDOMERO MAUIRICIO PABLO. Análisis de diferentes álabes de un aerogenerador de eje vertical para oxigenar estanques de peces[online][consultado 10
